CN103170797A - 一种大直径高质量管坯或环坯的复合挤压制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大直径高质量管坯或环坯的复合挤压制备方法，主要针对变形抗力大、热加工温度范围窄、热加工困难的难变形材料，包括(1)采用真空冶炼工艺，制备出纯净度较高的优质锭坯；(2)可选择进行均匀化处理，并进行多道次墩拔快锻开坯，细化组织和改善组织均匀性；(3)采用冲孔预制空心坯料；(4)对预制空心坯料进行等温/热摸复合挤压，制备出组织均匀、细小的管坯；(5)后续机加工，获得成品管(环)和优质管坯。本发明提供了一种组织均匀、细小的大直径管(环)坯的制备加工新方法，该方法成形省力、节能、材料利用率高、产品质量高，能够有效解决传统工艺制备的管(环)坯存在组织粗大、均匀性差，成形力大等诸多问题。

Description

一种大直径高质量管坯或环坯的复合挤压制备方法
技术领域
本发明涉及一种管(环)坯的制备加工方法，特别是一种大直径高质量管坯或环坯的复合挤压制备方法，属于金属加工技术领域，主要针对热加工温度范围窄、变形抗力大、热加工困难的镍基合金、高强钢、钛合金和锆合金等难变形材料。
背景技术
镍基合金、高强钢、钛合金、锆合金以及钨合金等难变形材料使用性能优秀，具有出色和独特的使用性能，因此在航空、航天、兵器、船舶、核工业等诸多军工技术领域应用十分广泛，是现代武器装备的物质基础。但这些材料的冷、热加工都十分困难，塑性加工难点主要有：(1)塑性低，塑性加工过程中容易开裂；(2)变形抗力高，变形抗力往往为普通钢的3倍以上，需要选择更大能量和载荷的设备，且金属难于充满模槽；(3)塑性加工温度范围窄，合金的初熔温度低，且再结晶温度高；(4)对应变速率和应力状态敏感，需要在压应力状态下进行塑性加工；(5)对加热和塑性加工温度要求严格，需要精确控制温度的加热炉内进行加热，并精确控制塑性加工温度；(6)再结晶温度高，速度慢，在塑性加工过程中容易造成再结晶晶粒与加工硬化晶粒混合的、未完全再结晶的、不均匀晶粒组织，需要精确控制塑性加工温度和温度的均匀性，并降低应变速率。此外，合金的临界变形程度范围宽，冷作硬化倾向明显，热导率低。
镍基合金、钛合金和锆合金等难变形材料的管(环)和薄壁管材具有良好的力学性能和腐蚀性能，在航空、航天、兵器、船舶、核工业等诸多领域的军、民品上应用广泛。此外，大直径管坯制备是大直径薄壁管材制备加工中最关键、最重要的工序。随着航空、航天、核工业等领域的快速发展，对大直径管(环)的综合性能和质量提出更高要求，因此，研制开发高质量、高性能的大直径管(环)坯是非常必要的。
目前，大直径难变形材料管(环)坯的制备工艺主要有：①真空冶炼、快锻开坯、冲孔、锻造成环、机加工、轧环、机加工；②真空冶炼、快锻开坯、锻造(热轧)棒材、机加工、斜轧穿孔、机加工；③真空冶炼、快锻开坯、锻造(热轧)棒材、反挤压、机加工；④中国发明专利[申请号：200910219593.X]公开了一种通过真空冶炼、铸造大直径管坯、热等静压制备大直径钛合金管坯的方法；⑤冶炼、离心铸造、机加工。传统的锻造-轧环或直接锻造工艺制备大直径难变形材料管(环)坯时，变形温度难以精确控制，容易出现混晶组织，且制备工艺复杂，加工过程难以精确控制；传统的挤压、斜轧穿孔方法难以制备大直径的管(环)坯；传统的反挤压工艺难以制备出长度较长的管坯，由于难变形材料的变形抗力大，成形压力大，使得传统反挤压工艺挤压难变形材料管坯，相当困难；铸造-热等静压工艺虽然可以消除气孔等铸造缺陷，但难以消除粗大的铸造组织；离心铸造制备大直径管坯，存在气孔、夹杂、缩孔等铸造缺陷，且不能制备合金元素比重差异较大材料的管坯，使得该方法具有较大的局限性。采用传统的制备工艺难以制备出组织均匀、细小的高质量管(环)；传统制备工艺难以适应航空、航天、核工业等领域发展对难变形材料管(环)的要求，更不能满足大直径薄壁管材制备加工中对高质量优质管坯的需求。
发明内容
本发明针对上述现有技术中的不足，提供一种大直径高质量管(环)坯的制备方法，其制备工艺能够精确控制变形温度、成材率高、成形省力、节能、材料利用率高，可以解决传统工艺制备的大直径管(环)坯存在组织均匀性差、组织粗大以及成形力大等诸多问题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种大直径高质量管坯或环坯的复合挤压制备方法，包括如下步骤：
(1)真空冶炼：将镍基合金、高强钢、钛合金或锆合金等难变形材料进行真空冶炼，得到合金铸锭；
(2)将步骤(1)的合金铸锭加热后，在快锻机上锻造开坯，进行多道次墩拔后，滚圆成棒材；
(3)将步骤(2)所得的棒材加热后，冲孔预制成空心坯料；
(4)将步骤(3)预制的坯料加热后，放入挤压筒中进行等温或热摸复合挤压，制备出大直径管坯或环坯；
(5)将步骤(4)所得的管坯或环坯进行机加工，获得大直径成品管或环和管坯。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述的镍基合金为变形镍基合金，如Inconel系合金、Hastelloy系合金和Monel系合金等，所述的钛合金为TC4、TC11和β型钛合金等，所述的锆合金为Zr-4、Zr-2和Zirlo锆合金等，均为难变形材料。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述真空冶炼的工艺为①真空感应熔炼和电渣重熔二联冶炼工艺，②真空感应熔炼、电渣重熔和真空自耗三联冶炼工艺，③真空感应熔炼和真空自耗二联冶炼工艺，或者④两次或三次真空自耗电弧熔炼工艺。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(1)中，所述真空冶炼得到合金铸锭的直径为Φ200mm～Φ600mm。
一种优选的技术方案，其特征在于：在进行锻造开坯之前，先将步骤(1)所得的合金铸锭进行均匀化处理，减少合金元素偏析，改善合金元素分布的均匀性，提高合金的热塑性。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述的均匀化热处理主要针对镍基合金、高强钢，均匀化处理温度为1150～1200℃，采用单级或双级均匀化处理。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(2)中，所述锻造开坯中镍基合金锻造温度为1150～1250℃，钛合金锻造温度为1100～1150℃，锆合金锻造温度为1050～1100℃；快锻开坯采用包套锻造，锻造火次为两次或三次，每火次锻造变形量大于70％，确保铸造粗大组织充分破碎，细化组织。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(3)中，所述冲孔预制空心坯料的外径为Φ200mm～Φ1000mm，内径为Φ80mm～Φ400mm。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(4)中，所述复合挤压坯料为空心坯料，减少所施加载荷的作用面积，显著降低挤压成形力；挤压比为1.5～10，挤压速度为0.01～10mm/s，当挤压温度高于1050℃时，预制空心坯料包套后进行热模复合挤压，当挤压温度低于1050℃时，采用等温复合挤压；由于变形温度高、变形速率低，坯料温度和模具温度一致或相接近，几乎没有模冷效应，材料的流动应力较小，极大地降低挤压成形力。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(5)中，所述机加工后，成品管或环和管坯的直径为Φ200mm～Φ1000mm，壁厚为10mm～80mm，长度为300mm～2000mm。
本发明主要针对变形抗力大、热加工温度范围窄、热加工困难的难变形材料，(1)采用真空冶炼工艺，制备出纯净度较高的优质锭坯；(2)通过均匀化处理，改善成分分布的均匀性，提高材料的热塑性，并进行多道次墩拔快锻开坯，细化组织和改善组织均匀性；(3)采用冲孔预制空心坯料；(4)对预制空心坯料进行等温/热摸复合挤压，制备出组织均匀、细小的管坯；(5)后续机加工，获得成品管(环)和优质管坯。本发明提供了一种组织均匀、细小的大直径管(环)坯的制备加工新方法，该方法成形省力、节能、材料利用率高、产品质量高，能够有效解决传统工艺制备的管(环)坯存在组织粗大、均匀性差，成形力大等诸多问题。
本发明提供了一种大直径管(环)坯组织均匀且细小、成形省力、材料利用率高的加工新方法，主要优点有：
(1)采用真空冶炼工艺，极大的减少了有害元素和气体含量，减少了杂质和夹渣物，极大的提高了合金的纯净度；
(2)挤压成形过程中材料受到三向压应力极大的发挥了材料的成形性，采用空心坯料，减少所施加载荷的作用面积，显著降低挤压力，成形省力；
(3)采用等温或热模挤压，坯料温度和模具温度一致或相接近，材料变形温度均匀，变形均匀，制备的管坯组织均匀、细小；
(4)挤压成形应变速率较小，变形温度高，几乎没有模冷效应，材料变形抗力较小，大幅度的减小了挤压成形力，成形省力；
(5)采用等温/热模复合挤压解决了传统挤压无法挤压大直径难变形材料管(环)坯和反挤压管坯长度受限的难题；
(6)本发明提出的等温模复合挤压可用于其他变形抗力较低合金管(环)坯的挤压，可显著降低载荷，节约能源，亦可用于塑性较低的非连续体增强金属复合材料管(环)坯的挤压。
本发明为高性能、高质量、大直径难变形材料管(环)坯制备加工提供了新途径，可用于航空、航天和核工业等高科技领域，具有良好的应用推广。
下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1为本发明大直径高质量管坯或环坯复合挤压制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明大直径高质量管坯或环坯复合挤压制备方法的工艺流程图，本发明的复合挤压制备方法包括真空冶炼，均匀化处理，快锻开坯，冲孔，等温/热模复合挤压和机加工，具体包括如下步骤。
(1)真空冶炼：将镍基合金、钛合金、高强钢或锆合金等难变形材料进行真空冶炼，得到合金铸锭；镍基合金可采用真空感应熔炼+电渣重熔二联冶炼工艺或真空感应熔炼+电渣重熔+真空自耗三联冶炼工艺，高强钢可采用真空感应熔炼+真空自耗二联冶炼工艺，钛合金和锆合金可采用两次或三次真空自耗电弧熔炼工艺；镍基合金为变形镍基合金，如Inconel系合金、Hastelloy系合金和Monel系合金等，钛合金为TC4、TC11和β型钛合金等，锆合金为Zr-4、Zr-2和Zirlo锆合金等。真空冶炼得到合金铸锭的直径为Φ200mm～Φ600mm。
(2)将步骤(1)的合金铸锭加热后，在快锻机上锻造开坯，进行多道次墩拔后，滚圆成棒材；锻造开坯中镍基合金锻造温度可为1150～1250℃，钛合金锻造温度可为1100～1150℃，锆合金锻造温度可为1050～1100℃；快锻开坯采用包套锻造，锻造火次为两次或三次，每火次锻造变形量大于70％，确保铸造粗大组织充分破碎，细化组织。
(3)将步骤(2)所得的棒材加热后，冲孔预制成空心坯料；冲孔预制空心坯料的外径为Φ200mm～Φ1000mm，内径为Φ80mm～Φ400mm。
(4)将步骤(3)预制的坯料加热后，放入挤压筒中进行等温或热摸复合挤压，制备出大直径管坯或环坯；复合挤压坯料为空心坯料，减少所施加载荷的作用面积，显著降低挤压成形力；挤压比为1.5～10，挤压速度为0.01～10mm/s，当挤压温度高于1050℃时，预制空心坯料包套后进行热模复合挤压，当挤压温度低于1050℃时，采用等温复合挤压；由于变形温度高、变形速率低，坯料温度和模具温度一致或相接近，几乎没有模冷效应，材料的流动应力较小，极大地降低挤压成形力。
(5)将步骤(4)所得的管坯或环坯进行机加工，获得大直径成品管或环和管坯。成品管(环)和管坯的直径为Φ200mm～Φ1000mm，壁厚为10mm～80mm，长度为300mm～2000mm。
在进行锻造开坯之前，先将步骤(1)所得的合金铸锭进行均匀化处理，减少合金元素偏析，改善合金元素分布的均匀性，提高合金的热塑性；均匀化热处理主要针对镍基合金、高强钢，均匀化处理温度为1150～1200℃，采用单级或双级均匀化处理。
实施例1
按照In718合金成分，利用真空感应炉冶炼出直径为Φ300mm的电极棒；将电极棒表面打磨和切除冒口后，利用电渣重熔炉重溶出直径为Φ400mm的铸锭。In718钢锭的双级均匀化热处理工艺为：1160℃，保温24h和1200℃，保温44h。利用壁厚为10mm的普炭钢对均匀化处理后的In718合金铸锭进行包套；将包套的铸锭放入加热炉，升温到850℃，保温2h，随后升温到1150℃，保温4h；在快锻机上开坯锻造，进行三火次墩拔锻造，每火次的变形量大于70％，并滚圆成棒材，将锻棒下料后进行冲孔锻造和机加工，预制成外径为Φ300mm和内径为120mm的空心坯料。将预制空心坯料预热到260℃喷涂高温防氧化玻璃润滑剂，随后加热到850℃，保温2h，继续升温到1050℃，保温4h；然后覆涂玻璃润滑粉，放入挤压筒进行等温复合挤压，挤压速度为1mm/s，挤压比为3.4；机加工后，In718合金成品管(环)和优质管坯的外径为Φ295mm，壁厚为12mm。
实施例2
按照GH4698合金成分，利用真空感应炉冶炼出直径为Φ240mm的电极棒；将电极棒表面打磨和切除冒口后，利用真空自耗电弧炉进行二次熔炼，铸锭的直径为Φ320mm。GH4698钢锭的均匀化处理工艺：1160℃，保温60h。利用壁厚为10mm的普炭钢对均匀化处理后的GH4698合金铸锭进行包套。将包套的铸锭放入加热炉，升温到860℃，保温2h，随后升温到1200℃，保温4h；在快锻机上开坯锻造，进行三火次墩拔锻造，每火次的变形量大于70％，并滚圆成棒材，将锻棒下料后进行冲孔锻造和机加工，预制成外径为Φ260mm和内径为120mm的空心坯料。用壁厚为10mm的普炭钢包套预制空心坯料，加热到860℃，保温2h，继续升温到1220℃，保温3h；然后覆涂玻璃润滑粉，放入挤压筒进行热模复合挤压，挤压速度为1.5mm/s，挤压比为2.7，挤压工模具温度为950℃。清除包套材料，机加工后，GH4698合金成品管(环)和优质管坯的外径为Φ255mm，壁厚为10mm。
实施例3
按Monel400合金成分，将配好的原料放入真空感应电炉中进行二次熔炼，铸锭的直径为Φ520mm，锻造温度为1050～1150℃，进行两火次墩拔锻造，每火次的变形量大于70％，每火次墩拔7次，然后打圆成直径为Φ610mm的饼材，进行冲孔锻造和机加工，预制成外径为600mm和内径为240mm的空心坯料。将所述的预制空心坯料预热到200℃喷涂高温防氧化玻璃润滑剂，随后加热到980℃，保温4h，然后放入挤压筒中进行等温复合挤压，挤压速度为0.5mm/s，挤压比为4.4，机加工后，Monel400合金成品管(环)和优质管坯的外径为Φ590mm，壁厚为Φ26mm。
实施例4
按照TC4合金的成分，采用海绵钛和Al-V中间合金，进行充分混料，压制电极块，并组焊成电极，利用真空自耗电弧炉进行三次熔炼，铸锭的直径为Φ500mm。锻造温度为1100～1150℃，进行三火次墩拔锻造，每火次的变形量大于70％，并滚圆成棒材，将锻棒下料后进行冲孔锻造和机加工，预制成外径为420mm和内径为180mm的空心坯料。将预制空心坯料预热到200℃喷涂高温防氧化玻璃润滑剂，加热到950℃，保温4h，然后放入挤压筒中进行等温复合挤压，挤压速度为0.5mm/s，挤压比为4.5；机加工后，TC4成品管(环)和优质管坯外径为Φ410mm，壁厚为12mm。
实施例5
按照Zr-4合金的成分，将海绵锆和合金元素压制成电极块，并组焊成电极，利用真空自耗电弧炉进行三次熔炼，铸锭的直径为Φ500mm。锻造温度为1050℃～1100℃，进行三火次墩拔锻造，每火次的变形量大于70％，然后进行滚圆、下料和冲孔锻造，对空心坯料在β相区范围进行热处理，固溶温度为1100℃，采用水淬，将β-淬火的空心坯料进行机加工，预制成外径为395mm和内径为165mm的空心坯料。采用壁厚为2.5mm的紫铜包套，加热到650℃，保温3h，将加热的坯料放入挤压筒进行等温复合挤压，挤压模具和挤压筒的润滑剂为汽缸油+石墨+二硫化钼，挤压速度为1mm/s，挤压比为4.4；机加工后，Zr-4成品管(环)和优质管坯的外径为Φ390mm，壁厚为16.5mm。

Claims (10)

1.一种大直径高质量管坯或环坯的复合挤压制备方法，包括如下步骤：
(1)真空冶炼：将镍基合金、高强钢、钛合金或锆合金进行真空冶炼，得到合金铸锭；
(2)将步骤(1)的合金铸锭加热后，在快锻机上锻造开坯，进行多道次墩拔后，滚圆成棒材；
(3)将步骤(2)所得的棒材加热后，冲孔预制成空心坯料；
(4)将步骤(3)预制的坯料加热后，放入挤压筒中进行等温或热摸复合挤压，制备出大直径管坯或环坯；
(5)将步骤(4)所得的管坯或环坯进行机加工，获得大直径成品管或环和管坯。
2.根据权利要求1所述的大直径高质量管坯或环坯的复合挤压制备方法，其特征在于：所述的镍基合金为Inconel系合金、Hastelloy系合金和Monel系合金，所述的钛合金为TC4、TC11和β型钛合金，所述的锆合金为Zr-4、Zr-2和Zirlo锆合金。
3.根据权利要求1所述的大直径高质量管坯或环坯的复合挤压制备方法，其特征在于：所述真空冶炼的工艺为真空感应熔炼和电渣重熔二联冶炼工艺，真空感应熔炼、电渣重熔和真空自耗三联冶炼工艺，真空感应熔炼和真空自耗二联冶炼工艺，或者两次或三次真空自耗电弧熔炼工艺。
4.根据权利要求1所述的大直径高质量管坯或环坯的复合挤压制备方法，其特征在于：所述真空冶炼得到合金铸锭的直径为Φ200mm～Φ600mm。
5.根据权利要求1所述的大直径高质量管坯或环坯的复合挤压制备方法，其特征在于：在进行锻造开坯之前，先将步骤(1)所得的合金铸锭进行均匀化处理。
6.根据权利要求1所述的大直径高质量管坯或环坯的复合挤压制备方法，其特征在于：所述的均匀化处理为单级或双级均匀化处理，温度为1150～1200℃。
7.根据权利要求1所述的大直径高质量管坯或环坯的复合挤压制备方法，其特征在于：所述的锻造开坯为采用包套锻造，锻造火次为两次或三次，每火次锻造变形量大于70％。
8.根据权利要求1所述的大直径高质量管坯或环坯的复合挤压制备方法，其特征在于：所述空心坯料的外径为Φ200mm～Φ1000mm，内径为Φ80mm～Φ400mm。
9.根据权利要求1所述的大直径高质量管坯或环坯的复合挤压制备方法，其特征在于：所述复合挤压的挤压比为1.5～10，挤压速度为0.01～10mm/s。
10.根据权利要求1所述的大直径高质量管坯或环坯的复合挤压制备方法，其特征在于：所述的成品管或环和管坯的直径为Φ200mm～Φ1000mm，壁厚为10mm～80mm，长度为300mm～2000mm。
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